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ESTA LICENCE ELM/EAI/EBM CAPTEURS INDUSTRIELS Année Universitaire 2020-2021 Ens

ESTA LICENCE ELM/EAI/EBM CAPTEURS INDUSTRIELS Année Universitaire 2020-2021 Enseignant : ZOUNDI Ousmane CAPTEURS INDUSTRIELS-ESTA-ELM3/EAI3/EBM3-2020/2021 Page 2 Introduction : A la base de toute mesure, il y a un capteur, premier maillon de la chaine de mesure et résultat de l’exploitation judicieuse d’une loi physique. Un capteur est un organe de prélèvement d’information qui élabore à partir d’une grandeur physique, une autre grandeur physique de nature différente (très souvent électrique). Cette grandeur représentative de la grandeur prélevée est utilisable à une chaîne de mesure ou de commande La conception d’un capteur fait appel en général à toutes les disciplines : physique, chimie, mécanique, électronique,… L’industriel ou le chercheur, qui veut faire une mesure, doit résoudre des problèmes de choix qui découlent d’un cahier des charges, c'est-à-dire :  Du capteur,  Du conditionnement du capteur,  Du mode de traitement des informations,  Du transport des informations jusqu’au lieu d’exploitation. Ce cours va traiter des moyens d’interfaçage entre le capteur et le système de traitement choisi. Après une présentation générale des deux types de capteurs, les actifs et les passifs, des différents éléments constituant une chaine de mesure, ce document abordera quelques notions de métrologie applicables aux capteurs et aux conditionneurs. La troisième partie sera consacrée aux conditionneurs de capteurs passifs ; les montages potentiométriques, les ponts et les oscillateurs y sont décrits. Enfin, le dernier chapitre traitera des différents montages permettant de ‘’conditionner ‘’ le signal de mesure. Partie1 : Généralités sur les capteurs et L’Electronique Associée. CAPTEURS INDUSTRIELS-ESTA-ELM3/EAI3/EBM3-2020/2021 Page 3 Chapitre 1 : Principes Fondamentaux 1. Définitions et caractéristiques générales 1.1. Mesurande On appelle mesurande (m) une grandeur physique objet de la mesure (déplacement, température, pression, vitesse, etc....). C'est la grandeur d'entrée du capteur ou l'excitation. L’ensemble des opérations expérimentales effectuées pour déterminer la valeur numérique du mesurande constitue son mesurage. 1.2. Capteur Les capteurs sont les premiers éléments rencontrés dans une chaine de mesure . ils transforment les grandeurs physiques ou chimiques d’un processus ou d’une installation en signaux électriques. La quantité que l’on cherche à mesurer sera appelée le mesurande, soit . Le but assigné du capteur est de convertir en une grandeur électrique que l’on appellera . La sortie du capteur peut être une impédance, une charge électrique, un courant ou une différence de potentiel. La relation qui lie à m , soit , dépend :  De la loi physique régissant le capteur,  De la construction pratique du capteur,  De l’environnement du capteur. L’utilisation du capteur consiste à lire la valeur du signal électrique lorsque est appliquée un mesurande inconnu. La courbe d’étalonnage ou l’équation algébrique reliant à permet alors d’en déduire . Figure 1.1 étalonnage puis lecture d'un capteur On essaiera toujours d'avoir si possible une relation de proportionnalité entre les variations de l'excitation et celle de la réponse du capteur où est la sensibilité du capteur qu'on précisera plus loin. Pour donné, plus est petit plus le capteur est sensible. Un des problèmes importants dans la conception et l'utilisation d'un capteur est la constance de sa sensibilité S qui doit dépendre aussi peu que possible:  de la valeur de =>le capteur est linéaire donc ,  de sa fréquence de variation => largeur de la bande passante, CAPTEURS INDUSTRIELS-ESTA-ELM3/EAI3/EBM3-2020/2021 Page 4  du temps => vieillissement  de l'action d'autres grandeurs physiques de son environnement qui ne sont pas l’objet de la mesure => les grandeurs d’influence (température, humidité, vibrations,…). On distingue les capteurs actifs des passifs. 1.3. Capteur actif C’est un dispositif qui fonctionne en générateur. Il convertit en énergie en énergie électrique de l’énergie propre aux mesurandes (énergie thermique, mécanique, rayonnement,…). Les plus classiques sont :  Effet thermoélectrique: Un circuit formé de deux conducteurs de nature chimique différente, dont les jonctions sont à des températures T1 et T2, est le siège d’une force électromotrice . (principe des thermocouples).  Effet piézo-électrique : L’application d’une contrainte mécanique à certains matériaux dits piézo-électrique (le quartz par exemple) entraine l’apparition d’une déformation et d’une même charge électrique de signe différent sur les faces opposées.  Effet d’induction électromagnétique : la variation du flux d’induction magnétique dans un circuit électrique induit une tension électrique. CAPTEURS INDUSTRIELS-ESTA-ELM3/EAI3/EBM3-2020/2021 Page 5  Effet photo-électrique : la libération de charges électriques dans la matière sous l’influence d’un rayonnement lumineux ou plus généralement d’une onde électromagnétique dont la longueur d’onde est inférieure à un seuil caractéristique du matériau.  Effet Hall : un semi-conducteur de type parallélépipède rectangle, placé dans une induction B et parcouru par un courant I, voit l’apparition, dans la direction perpendiculaire au courant et à l’induction, d’une différence de potentiel qui a pour expression : , est la fonction du matériau dite constante de Hall, est l’angle entre I et B. D’après l’expression de la tension de Hall , le capteur de Hall peut être utilisé pour mesurer le champ B, le courant I, le dopage N du semi conducteur ou encore l’angle .  Effet Photovoltaïque : des électrons et des trous sont libérés au voisinage d’une jonction PN illuminée, leur déplacement modifie la tension à ses bornes.  Effet Pyro-électricité : les cristaux pyro-électriques (par exemple le sulfate de triglycine) ont une polarisation électrique spontanée qui dépend de leur température. Ainsi, en absorbant un flux lumineux le cristal pyro-électrique va s’échauffer et ainsi sa polarisation va se modifier entraînant une variation de tension détectable. CAPTEURS INDUSTRIELS-ESTA-ELM3/EAI3/EBM3-2020/2021 Page 6 Capteurs actifs : MESURANDE EFFET UTILISE GRANDEUR DE SORTIE Température Thermoélectricité (thermocouple) Tension Flux Optique Photoémission pyroélectricité Courant Charge Force, pression, accélération Piézoélectricité Charge Position Effet Hall tension vitesse induction tension 1.4. Capteur passif Il s’agit généralement d’impédances dont l’un des paramètres déterminant est sensible à la grandeur mesurée. La variation d’impédance résulte :  Soit d’une variation de dimension du capteur, c’est le principe de fonctionnement d’un grand nombre de capteur de position, potentiomètre, inductance à noyaux mobile, condensateur à armature mobile.  Soit d’une déformation résultant de force ou de grandeur s’y ramenant, pression, accélération (armature de condensateur soumise à une différence de pression, jauge d’extensiométrie liée à une structure déformable). Le capteur se comporte en sortie comme un dipôle passif qui peut être résistif, capacitif ou inductif. Le tableau ci-contre montre les transformations possibles qu’offrent ces grandeurs : CAPTEURS INDUSTRIELS-ESTA-ELM3/EAI3/EBM3-2020/2021 Page 7 Le tableau ci-dessous résume, en fonction du mesurande, les effets utilisés pour réaliser la mesure. MESURANDE EFFET UTILISE (Grandeur de sortie) MATERIAUX Température Très basse température Résistivité Constante diélectrique Platine, Nickel, cuivre, semi- conducteurs Verre Flux optique Résistivité semi-conducteurs Déformation Résistivité perméabilité Alliages nickel Alliages ferromagnétiques Position Résistivité Magnétorésistances : Bismuth, antimoine d’indium Humidité Résistivité Constante diélectrique Chlorure de lithium Alumine, polymères Niveau Constante diélectrique Liquides isolants 1.5. Conditionneur de capteur passif CAPTEURS INDUSTRIELS-ESTA-ELM3/EAI3/EBM3-2020/2021 Page 8 L’impédance d’un capteur passif et ses variations ne sont mesurables qu’en intégrant le capteur dans un circuit électrique, par ailleurs alimenté et qui est son conditionneur. Les types de conditionneurs les plus utilisés sont :  Le montage potentiométrique  Le pont d’impédance dont l’équilibre permet de déterminera l’impédance du capteur  Le circuit oscillant qui contient l’impédance du capteur qui fixe sa fréquence. 1.6. Corps d’épreuve et capteur composite.  Le corps d’épreuve : c’est le dispositif qui soumis au mesurande physique en assure une première traduction en une autre grandeur physique non électrique dite grandeur secondaire que le capteur traduit alors en grandeur électrique.  Capteur composite : l’ensemble formé par le corps d’épreuve et le capteur passif ou actif constitue le capteur composite. Exemple : c’est le cas des capteurs mécaniques : contraintes mecaniques entrainent des déformations (allongements ou contractions qui entrainent à leur tour des variations d’impédance. Figure : capteur composite. 1.7. Capteur intégré. C’est un composant réalisé par les techniques de la micro-électronique et qui regroupe sur un même substrat de silicium commun, le capteur proprement dit, le corps d’épreuve et l’électronique de conditionnement. CAPTEURS INDUSTRIELS-ESTA-ELM3/EAI3/EBM3-2020/2021 Page 9 2. Le transmetteur. Transmetteur dans une chaine de contrôle commande 2.1. Le transmetteur. C’est un dispositif qui converti le signal de sortie du capteur en un signal de mesure standard. Il fait le lien entre le capteur et le système de contrôle commande. Le couple capteur + transmetteur réalisé la relation lin´ aire figure entre la grandeur mesurée et son signal de sortie. Relation entre grandeur mesurée et sortie d’un transmetteur 2.2. Paramètres d’un transmetteur. CAPTEURS INDUSTRIELS-ESTA-ELM3/EAI3/EBM3-2020/2021 Page 10 Le transmetteur possède en général au moins deux paramètres de réglage; le décalage de zéro et l’´ etendue de mesure (figure pression). Si le transmetteur possède un réglage analogique, pour paramétrer le transmetteur il suffit (respecter l’ordre) :  De régler le zéro quand la valeur mesurée est au minimum de l’étendu de mesure (réglage du 0 %).  De régler le gain quand la grandeur mesurée est au maximum de l’´ etendue de mesure (réglage du 100 %). Le décalage du zéro correspond à la valeur de la grandeur mesurée quand la sortie de signal est à 0 %. Exemple : transmetteur de pression Capteur de pression Type uploads/Industriel/ capteurs-industriels-cours.pdf