PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DES TRANSDUCTEURS I DEFINITIONS 1 Exemple E x O X B V Le potentiomètre convertit une grandeur d entrée mécanique, la distance x en une grandeur de sortie électrique, la tension V : c'est un transducteur. La grandeur de sortie peut être mesurée, ici à l'aide d'un voltmètre : ce transducteur particulier est un capteur. 2 Le transducteur Un transducteur est un système permettant de convertir une grandeur physique appelée grandeur d entrée E, en une autre grandeur physique qui peut être de même nature appelée grandeur de sortie S. grandeur physique grandeur physique. d entrée E Transducteur de sortie S 3 Capteurs Un capteur est un transducteur permettant de convertir une grandeur physique en une autre grandeur physique pouvant être mesurée, à l aide d un voltmètre par exemple. a) Propriétés Ces transducteurs particuliers permettent ainsi de mesurer des grandeurs physiques telles que la température, l intensité d un champ magnétique, un flux lumineux ou une pression. Dans tous les cas, il est nécessaire de relever la courbe d'étalonnage du capteur. Elle représente l évolution de la grandeur de sortie S en fonction de la grandeur d entrée E. Ainsi connaissant la valeur de la grandeur de sortie mesurée, en se référant à cette courbe, on détermine la valeur de la grandeur physique d entrée correspondante. b) Un capteur doit être fidèle cela signifie qu à une même valeur E de la grandeur d entrée doit toujours correspondre la même valeur S de la grandeur de sortie. c) Un capteur doit être sensible : cela signifie qu à une variation E de la grandeur d entrée doit correspondre une variation S de la grandeur de sortie. Les transducteurs et les capteurs sont très répandus dans les systèmes industriels surtout en matière de contrôle et de régulation. Exemple: Dans le domaine de la régulation de vitesse d'un moteur, on utilise des capteurs de vitesse Ces capteurs permettent de convertir une fréquence de rotation (grandeur d'entrée E) en une tension (grandeur analogique de sortie S ). Cette grandeur de sortie est ensuite exploitée afin d'assurer la régulation de vitesse du moteur. II TRANSDUCTEURS ELECTROMECANIQUES 1 Principe Ces transducteurs convertissent une grandeur d'entrée mécanique E en une grandeur de sortie électrique S ou inversement une grandeur d'entrée électrique en une grandeur de sortie mécanique S grandeur d entrée Transducteur grandeur. de sortie mécanique E électromécanique électrique S La grandeur physique de sortie peut être mesurée; ces transducteurs sont des capteurs.
2 Exemples a) Potentiomètre linéaire Un potentiomètre linéaire est un transducteur permettant d'obtenir une tension (grandeur physique de sortie) fonction de la position du curseur dont on peut mesurer l'abscisse (grandeur physique d'entrée) dans un repère choisi. la résistance Rx entre les points X et O est proportionnelle à la longueur du conducteur résistif reliant ces deux points. De plus Uxo = E R X (diviseur de tension) ainsi Uxo est fonction de la distance x. R b) Potentiomètre circulaire Un potentiomètre circulaire est un transducteur permettant d'obtenir une tension (grandeur physique de sortie) fonction de la position du curseur dont on peut mesurer la position angulaire (grandeur physique d entrée) dans un repère choisi. Le principe de fonctionnement est analogue à celui d'un potentiomètre linéaire. c) Galvanomètre magnétoélectrique Cet appareil de mesure permet de convertir un courant électrique (grandeur physique d entrée) en une grandeur mécanique, la rotation du cadre (grandeur physique de sortie). 3 Exercice : Soit le dispositif simplifié suivant permettant la commande de la température d'un four On dispose des relevés suivants α (degrés) 0 36 72 108 144 180 v (volts) 0 3 6 9 12 15 Pour α = 0, la température à l'intérieur du four est θf = 20 C. Pour α = 180, la température à l'intérieur du four est θf = 200 C. 1. À l'aide d'un schéma fonctionnel, représentez le potentiomètre circulaire en indiquant physique d'entrée E et la grandeur physique de sortie S. 2. Tracez la courbe représentant la tension v en fonction de la position angulaire α et déterminer l'expression mathématique de cette courbe. 3. L'étage amplificateur délivre une tension U telle que U = 10 V. Pour U = 100 V, déterminer la valeur de α correspondante 4. Tracer la représentation graphique de la température en fonction de la position angulaire sachant que celle-ci est une droite puis déterminer son expression mathématique. 5. Déterminer la valeur de l angle pour une température de 90 C. III TRANSDUCTEURS MAGNETO-ELECTRIQUES 1 Principe Ces transducteurs convertissent l'intensité d'un champ magnétique, grandeur physique d'entrée E, en une tension, grandeur physique de sortie S grandeur d entrée E Transducteur grandeur. de sortie champ magnétique magnétoélectrique tension électrique S La grandeur physique de sortie peut être mesurée, ces transducteurs sont des capteurs.
2 Exemple : Sonde à effet Hall Un champ magnétique placé prés d un ruban métallique où circule un courant I entraîne le déplacement des électrons ( F = qvb) d où l apparition d un champ électrostatique E H ( F= e. E H ). Ce dernier entraîne l apparition d une ddp U = a.e H ou avb. Cette tension est proportionnelle à l intensité du champ magnétique. On utilise cette propriété pour la réalisation d un teslamétre. Cet appareil qui est un capteur permet de mesurer l intensité d un champ magnétique. IV TRANSDUCTEURS THERMOELECTRIQUES 1 Thermistance a) Symbole b) Principe Une thermistance est un transducteur qui convertit une température, grandeur physique d'entrée E, en une valeur de résistance électrique, grandeur physique de sortie S grandeur d entrée E Thermistance grandeur. de sortie S température résistance électrique La grandeur physique de sortie peut être mesurée, ce transducteur est un capteur. Les thermistances sont constituées par des éléments dont la résistance électrique varie en fonction de la température. On peut classer les thermistances en 2 groupes - thermistance à coefficient de température négatif CTN dont la résistance électrique augmente (respectivement diminue) quand la température diminue (respectivement augmente); - thermistance à coefficient de température positif CTP dont la résistance électrique augmente (respectivement diminue) quand la température augmente (respectivement diminue). c) Application Les thermistances sont utilisées pour réaliser des capteurs de température lorsque les températures utilisées varient entre -50 C et 900 C. Exemple de thermistance : capteur céramique délivrant une résistance inversement proportionnelle à la température (CTN). Sensibilité maximale entre 0 C et 100 C. d) Exercice On a relevé la valeur de la résistance électrique R d'une thermistance en fonction de sa température θ. R (Ω) 3540 2300 1 550 1060 720 480 300 θ ( C) 30 40 50 60 70 80 90 -Tracez la courbe représentant la résistance électrique R de la thermistance en fonction de sa température θ. - Indiquez le type de thermistance utilisée CTN ou CTP.
2 Thermocouple a) Principe Un thermocouple est un transducteur qui convertit une température, grandeur physique d'entrée E en une tension grandeur physique de sortie S grandeur d entrée E Thermocouple grandeur de sortie S température tension électrique La grandeur physique de sortie peut être mesurée, ce transducteur est un capteur. Un circuit ouvert formé par deux métaux différents M 1 et M 2 est le siège d'une force électromotrice e lorsque les deux contacts A e B ou soudures S I et S 2 sont portés à des températures différentes. M 1 M 1 M 2 θ 1 θ 2 S 1 S 2 En pratique, on maintient la température constante par exemple la soudure S 1 à la température θ 1. La force électromotrice du thermocouple ne dépend alors que de la température θ 2 de la soudure S 2. Cette soudure est placée dans un milieu où l'on veut mesurer la température. Après avoir étalonné le thermocouple, on peut pour chaque valeur de la force électromotrice d'une soudure en déduire la température θ 2 Remarque. La force électromotrice ne dépend pas du point choisi pour ouvrir le circuit. On peut ainsi placer la coupure (point B ) en S 2. C'est pourquoi certains thermocouples industriels ne possèdent qu'une soudure. b) Application Les thermocouples sont des capteurs utilisés pour la mesure de température ultra froide jusqu à - 200 C et pour la mesure de très haute température jusqu'à +1 200 C Exemples de thermocouples utilisés dans l'industrie - thermocouple cuivre - constantan. pour des températures variant de - 160 C à 400 C - thermocouple chrome - alumel : pour des températures variant de 0 C à 1 100 C - V TRANSDUCTEURS OPTOELECTRONIQUES L'optoélectronique est l'étude des dispositifs électroniques dont le fonctionnement fait intervenir des ondes lumineuses visibles ou invisibles. 1 Quelques rappels Les ondes lumineuses sont des ondes électromagnétiques. Elles se propagent même en l'absence de milieu matériel en transportant de l'énergie. a) Flux énergétique Le flux énergétique est la puissance émise par une source ou transportée par un faisceau de radiations lumineuses ou reçue par un récepteur. Il s'exprime en watt. b) Eclairement
L éclairement est la puissance reçue par unité de surface. Il s'exprime en W/m². 2 La photodiode a) Symbole b) Propriétés La photodiode est polarisée en inverse. On dispose du réseau de caractéristiques représentant le courant i traversant la photodiode en fonction de la tension u à ses bornes. 1. À partir du réseau de caractéristiques, déterminez l'intensité du courant traversant la photodiode dans les deux cas suivants : - l'éclairement est de 6 W/m² - l'éclairement est de 12 W/m². 2.À l'aide des appareils de mesure, on relève i = -10 µa et u = -10 V. À partir du réseau de caractéristiques, déterminez l'éclairement soumis à la photodiode. Une diode à jonction polarisée en inverse, c'est le cas dans le montage précédent, est un courant très faible appelé courant inverse dont l'ordre de grandeur est quelques µa. Lorsqu on éclaire la jonction, on constate que le courant inverse augmente. Cette augmentation est d autant plus importante que l'éclairement est intense. Interprétation qualitative Le faisceau lumineux permet de communiquer à quelques électrons de valence une énergie suffisante pour franchir la barrière de potentiel créée par la polarisation inverse de la jonction. Ce phénomène contribue à accroître le courant inverse. c) Principe Une photodiode est un transducteur qui convertit un éclairement, grandeur physique d'entrée E, en un courant électrique, grandeur physique de sortie S. grandeur d entrée E Thermocouple grandeur de sortie S éclairement courant électrique La grandeur de sortie peut être mesurée. Ce transducteur est un capteur. 3 La photopile a) Symbole b) Principe Une photopile est un transducteur qui convertit un éclairement, grandeur physique d'entrée E, en un courant électrique, grandeur physique de sortie S.
grandeur d entrée E Photopile grandeur de sortie S éclairement courant électrique Une photopile est constituée par un matériau semi-conducteur dont une face repose sur un métal. Une autre face du semiconducteur, placée à la lumière, présente une fine couche métallique transparente. L'éclairement reçu par la face transparente entraîne une libération d'électrons dans le matériau semi-conducteur. La photopile se comporte alors comme un générateur. 4 Le phototransistor a) Symbole b) Principe Un phototransistor est un transducteur qui convertit un éclairement, grandeur physique d'entrée E, en un courant électrique grandeur physique de sortie S grandeur d entrée E Phototransistor grandeur de sortie S éclairement courant électrique La grandeur de sortie peut être mesurée, ce transducteur est un capteur. Un phototransistor présente la même structure qu'un transistor à jonctions. La base est excitée par un faisceau lumineux. Ce faisceau lumineux communique aux électrons de valence de l énergie. Il résulte alors un courant entre le collecteur et l'émetteur.
5 Photorésistance a) Symbole b) Principe Une photo résistance est un transducteur qui convertit un éclairement, grandeur physique d'entrée E, en une valeur de résistance électrique grandeur physique de sortie S. grandeur d entrée E Photorésistance grandeur de sortie S éclairement résistance électrique La grandeur de sortie peut être mesurée, ce transducteur est un capteur. Une photo résistance est réalisée à partir d'un élément semi-conducteur dont la résistance varie en fonction de l'éclairement. Dans l'obscurité la résistance est élevée, à la lumière du jour elle est beaucoup plus faible. Les photo résistances sont des capteurs très utilisés en particulier comme détecteur de lumière ou d'obscurité. VI LES TRANSDUCTEURS ULTRASONIQUES 1 Symbole 2 Principe Un transducteur ultrasonique est un transducteur qui convertit une tension, grandeur physique d'entrée E, en une force mécanique grandeur physique de sortie S grandeur d entrée E transducteur grandeur de sortie S tension ultrasonique force mécanique Un transducteur ultrasonique est essentiellement constitué d'un élément piézoélectrique présentant la propriété d'osciller à une fréquence f, voisine de 40 khz. Les ultrasons sont des ondes acoustiques dont la fréquence est supérieure à 20 khz.
L effet piézoélectrique inverse crée des déformations mécaniques du composant lorsqu'une tension u est appliquée à ses bornes, engendrant des forces f qui provoquent des déplacements d'air et la propagation des ultrasons. L effet piézoélectrique direct crée une tension aux bornes du composant lorsqu'il est soumis à l'action des forces f exercées par les déplacements d'air dus aux vibrations ultrasonores. Les transducteurs ultrasoniques sont donc réversibles. f f air f récepteur u u émetteur f air f f Ils sont très utilisés, en échographie médicale, dans les sonars marins etc. 3 Applications Les transducteurs présentés dans cette partie sont utilisés pour transmettre une information à l'aide d'un faisceau lumineux ou récupérer une information contenue dans un faisceau lumineux. Les applications sont nombreuses, en voici quelques-unes - capteur de vitesse; - comptage d'objets; - lecture de cartes perforées; - dispositif de contrôle ou de régulation; - détecteur d'échauffement, d'obscurité. VII EXERCICES 1 On utilise la thermistance de l exercice IV 1 (d pour réaliser un détecteur d'échauffement permettant de contrôler la température d'un four. On l'insère dans le dispositif électronique suivant. Un amplificateur opérationnel fonctionne en régime saturé V S = + 12 V si V + >V - et V S = - 12 V si V + < V -. Rp est une résistance de protection. Schéma électrique simplifié du détecteur d'échauffement. Calculez la valeur de Rx afin que la diode électroluminescente brille lorsque la température du four atteint 60 C. 2 Un thermocouple chromel - alumel est étalonné entre 0 C et les températures dont les valeurs sont données dans le tableau suivant θ ( C) 100 150 200 250 300 350 400 450 500 e (mv) 4,12 6,18 8,24 10,3 12,4 14,4 16,5 18,5 20,6 a) Tracez la courbe représentant la tension e en fonction de la température θ.
b) La température de fusion de l'étain est θ = 232 C. Déterminez la valeur de la tension e lorsque la sonde thermocouple est plongée dans le métal en fusion. 3 Soit le montage ci-contre R = 5,6 kω et Rp est une résistance de protection. L'amplificateur opérationnel fonctionne en régime saturé V S = + 14 V ou V S = -14 V La photo résistance a les caractéristiques suivantes : - résistance inférieure à 500 Ω lorsqu'elle est éclairée ; - résistance supérieure à 7 kω lorsqu'elle est dans l'obscurité. On suppose la diode idéale. a) Lorsque la photo résistance est dans l'obscurité - expliquez le fonctionnement du montage ; -déterminez Vs ; - déduisez l'état de la diode. b) Lorsque la photo résistance est éclairée - mêmes questions. 4 Afin de mesurer la fréquence de rotation d'un moteur, on dispose sur son rotor un disque plein dans lequel on a pratiqué une ouverture. De part et d'autre de ce disque, sur un support fixe, on place une diode électroluminescente, un phototransistor et l'alimentation de ce dispositif comme l'indique la figure suivante. Le phototransistor, supposé parfait, fonctionne en régime de commutation - lorsqu'il est passant Vs = 0 ; - lorsqu'il est bloqué V S = 12 V. L'ouverture pratiquée dans le disque permet au rayon lumineux, émis par la diode électroluminescente, d'atteindre la base du phototransistor. a) Analysez qualitativement le fonctionnement du capteur «de vitesse» ainsi réalisé.
b) À l'aide d'un oscilloscope on a relevé le graphe représentant la tension Vs en fonction du temps. Déterminez dans ce cas la fréquence de rotation du moteur. 5 Le composant LM 335 est un capteur de température de précision qui peut être étalonné. Son fonctionnement est celui d'une diode Zéner dont la tension de claquage est proportionnelle à la température absolue T. La grandeur d'entrée est la température du milieu dans lequel la diode est placée. La grandeur de sortie est la tension u aux bornes de la diode La tension u aux bornes du capteur est comprise entre 2,95 V et 3,05 V à la température θ = 25 C (circuit n 1). La mise en œuvre du potentiomètre de résistance R dont le curseur est connecté à la broche ADJ (adjustment) du capteur, permet son étalonnage, en réglant la tension u à la valeur 2982 mv, à la température θ = 25 C (circuit n 2). a) Selon la notice du constructeur, l'expression de u (T) peut s'écrire : u (T) = u (T 0 ) x T T 0 où T 0 est la température absolue de référence T 0 = 298,2 K et u (T 0 ) = 2,982 V Utiliser cette relation pour calculer la valeur de la variation u (T) de la tension aux bornes du capteur, correspondant à une variation T de la température de 1K. b) Utiliser l'expression de u (T) et la relation exprimant T en fonction de θ, afin de montrer que : u (θ) = 10 x θ + 2 732 lorsque θ est exprimé en degrés Celsius et u en millivolts (mv). c) En conséquence, compléter le tableau suivant θ ( C) -25 0 15 100
u mv 2580 2982 d) La tension u (θ) est soumise à un traitement électronique conforme au schéma fonctionnel suivant. capteur LM 335 a u(θ) soustraction amplification (a - b) 10 u S b tension de référence U R U R = 2732 mv Figure 6 Écrire l'expression de la tension us en fonction de la température θ. e) Un voltmètre numérique affiche les valeurs de la tension us. Compléter le tableau ci-dessous U S (V) - 1 0 1,2 2,5 θ ( C) f) La figure 6 est modifiée comme suit : - nouvelle tension de référence. u R = 2554,2 mv, - nouvelle amplification : x 1,8. En conséquence, montrer que la nouvelle tension de sortie u's peut s'écrire : u's 10[ 9 θ + 32 ] ( C ; mv). 5 6 On a réalisé un relais opto-électronique à l'aide d'une diode électroluminescente et d un phototransistor. Lorsque le phototransistor est éclairé par la diode, il conduit le courant; la diode éclaire plus ou moins le phototransistor selon le courant I D qui la traverse. On dispose du réseau de caractéristiques pour la diode (a) et le phototransistor (b).
a) Pour e = 5V, déterminer le point de fonctionnement de la diode électroluminescente (on tracera sur la figure (b) la caractéristique du générateur e vu des points A et K). b) Déterminer le point de fonctionnement du transistor (U CE et I C pour e T = 30 V (on tracera sur la figure (c) la caractéristique du générateur e T vu des points C et E). c) Calculer la puissance dissipée par la source de commande e. Calculer la puissance dissipée dans la charge RT. Conclure.