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18/09/2020 1 CAPTEURS ET CONDITIONNEURS Dr Mindaoudou Souley Zeinabou 1 RAPPELS

18/09/2020 1 CAPTEURS ET CONDITIONNEURS Dr Mindaoudou Souley Zeinabou 1 RAPPELS Mesure: action qui permet d’évaluer une grandeur. Elle est fondamentale dans tous les domaines Technique: ensemble de procédés permettant d’obtenir un résultat dans un domaine donné (science, technologie etc.). Les dispositifs techniques permettent à l’homme d’augmenter ses moyens d’interaction avec son environnement et de le maitriser grâce à: - l’étude des lois de la physique et des relations qui les lient aux outils mathématiques d’une part et, - à l’expérimentation qui est basée sur la mesure des grandeurs physiques, auxquelles on associe des valeurs numériques pour quantifier les propriétés des objets. Un signal est dit analogique si l’amplitude de la grandeur physique qui le représente peut prendre une infinité de valeurs dans un intervalle donné. Le signal numérique (discret), a une amplitude qui ne peut prendre qu’un nombre fini de valeurs. 2 1 2 18/09/2020 2 - Tout ou rien (TOR) : donne une information sur un l’état bivalent d’un système. - Train d’impulsion : suite logique - Echantillonnage : C’est l’image numérique d’un signal analogique. 3 I. PRINCIPES FONDAMENTAUX I.1. GENERALITES ET DEFINITIONS Mesurande (m): grandeur physico chimique à mesurer. Il peut être : – Mécanique: déplacement, vitesse, accélération, force, pression, masse, débit etc. – Electrique: courant, charge, impédance, … – Thermique: Température, flux thermique, … – Magnétique: champ magnétique, perméabilité … – Radiatif: lumière visible, rayons X, radioactivité – Biochimique: humidité, détection de gaz, sucre, hormones, paramètres vitaux. Mesurage: ensemble d’opérations expérimentales permettant de déterminer la valeur numérique du mesurande m. Capteur (sensor): composant permettant de prélever une grandeur physique (température, pression, vitesse, force, etc.) et de la transformer en grandeur électrique (tension, courant ou charge). Il est à l’origine de toute mesure technique. 4 3 4 18/09/2020 3 Sa conception fait appel à plusieurs disciplines scientifiques et techniques Le capteur fait partie de la chaîne de mesure. Il reçoit la grandeur physique à mesurer et fournit une information (logique, numérique ou analogique) directement liée à cette grandeur. Dans un capteur, il y a souvent deux éléments indispensables (parfois confondus): – Le corps d'épreuve qui sera mis en présence de la grandeur à mesurer et qui réagit aux variations de cette grandeur, selon une loi connue – Le transducteur qui va traduire ces variations en signal électrique facile à exploiter dans les équipements modernes. 5 En général, lorsqu’il est soumis à un mesurande non électrique, sa réponse est une grandeur électrique s (tension, courant, charge, impédance). La relation s=f(m) régit le fonctionnement du capteur. Le mesurande m est l’excitation et s est la réponse du capteur. Pour faciliter l’exploitation du capteur, il doit être conçu de telle sorte qu’une relation linéaire s’établisse entre les variations de l’entrée (Δm) et celles de la sortie (Δs). Δs = S.Δm S est la sensibilité du capteur aussi notée σ. Elle est constante pour un capteur linéaire. 6 5 6 18/09/2020 4 La constance de S doit dépendre le moins possible : - De la valeur de m (linéarité) et de sa fréquence de variation (bande passante), - Du temps, - De l’action d’autres grandeurs physiques de son voisinage qui ne sont pas objet de la mesure (grandeurs d’influence). Fig.: Evolution d’un mesurande m et de la réponse s correspondante d’un capteur 7 Grandeurs d’entrée, de sortie et sensibilité 8 7 8 18/09/2020 5 9 I.2. CLASSIFICATION DES CAPTEURS Les capteurs sont des éléments d’un circuit électrique. Ils sont classés en fonction: • De leur apport énergétique : - capteur actif (direct) = générateur (s sera une charge, une tension, ou un courant) - capteur passif (indirect) = impédance ( s sera une résistance, une inductance ou une capacité) • du type de sortie - Analogique - Logique (TOR: Tout ou Rien) - Numérique Remarque • Le terme détecteur s'emploie lorsque le signal obtenu est logique. • Le terme capteur s'emploie lorsque le signal obtenu est analogique • Le terme codeur s'emploie lorsque le signal obtenu est numérique. 10 9 10 18/09/2020 6 I.2.1.CAPTEURS PASSIFS (INDIRECTS) Ce sont des dipôles passifs (Résistif, capacitif ou inductif) dont l’un des paramètres déterminants est sensible au mesurande: géométrie, dimension, résistivité ρ, perméabilité magnétique µ, constante diélectrique ε des matériaux, etc. Exemples - Capteur résistif basé sur un montage potentiométrique - Thermistances - Jauges de contrainte Dans la plupart des cas, ils ont besoin d’une énergie extérieure pour fonctionner et ils sont souvent modélisés par une impédance. Une variation du phénomène physique étudié (mesuré), engendre une variation de l'impédance. Il faut leur appliquer une tension pour obtenir un signal de sortie. 11 Tableau 1: Principes physiques et matériaux utilisés pour les capteurs passifs Mesurande Caractéristique électrique sensible Type de matériaux utilisés Température Très basse température Résistivité Constante diélectrique Métaux: platine, nickel, cuivre, semi-conducteurs verres Flux de rayonnement optique Résistivité semi-conducteurs Déformation Résistivité Perméabilité magnétique Alliage de nickel silicium dopé Alliages ferromagnétiques Position (aimant) Résistivité Matériaux magnéto résistants: bismuth, antimoniure d’indium Humidité Résistivité Constante diélectrique Chlorure de Lithium Alumine polymères Niveau Constante diélectrique Liquides isolants 12 11 12 18/09/2020 7 I.1.2. CAPTEURS ACTIFS Ici le phénomène physique qui est utilisé pour la détermination du mesurande effectue directement la transformation en grandeur électrique. C'est la loi physique elle-même qui relie le mesurande et grandeur électrique de sortie. La sortie du capteur est assimilée à un générateur. C’est un dipôle actif (courant, tension ou charge électrique Q en coulombs). Exemples: Thermocouples, photodiodes, phototransistors etc. 13 Tableau: Principes physiques de base mis en jeu pour les capteurs actifs 14 Mesurande Effet utilisé Grandeur de sortie Température Thermoélectricité Tension Flux de rayonnement optique Pyroélectricité, Photoélectricité, effet photovoltaïque, effet photo électromagnétique Charge Courant Tension Tension Force Pression Accélération Piézoélectricité Charge Vitesse Induction électromagnétique Tension Position (aimant) Effet Hall Tension 13 14 18/09/2020 8 Description des effets Effet thermoélectrique: Un circuit formé de deux conducteurs de natures chimiques différentes, dont les jonctions sont à des températures T1 et T2, est le siège d'une force électromotrice d'origine thermique e(T1,T2) Effet pyroélectrique: Les cristaux pyroélectriques ont une polarisation électrique proportionnelle à leur température. flux de rayonnement échauffement du cristal et modification de sa polarisation, d’où une variation de tension détectable. 15 Effet piézoélectrique: Application d’une contrainte sur ce type de matériau (quartz), entraine une déformation qui suscite l’apparition de charges électriques égales et de signes contraires sur les faces opposées. Ce phénomène est réversible. Effet d’induction électromagnétique: La variation du flux d'induction magnétique dans un circuit électrique induit une tension électrique (détection de passage d'un objet métallique). 16 15 16 18/09/2020 9 Effets photoélectriques Il y en a plusieurs mais le principe reste le même. Sous l’influence d’un rayonnement lumineux, le matériau libère des charges électriques qui dépendent du rayonnement. – Externe: Effet photoémissif: La cible éclairée libère des électrons qui vont former un courant qui sera collecté par application d’un champ électrique – Interne: Effet photovoltaïque: Lorsqu’une jonction entre deux semi conducteurs P et N est illuminée, elle libère dans son voisinage des e- et des e+, et le déplacement de ces derniers dans le champ électrique de la jonction modifie la tension à ses bornes. 17 Effet photo électromagnétique: Lorsqu’on applique un champ magnétique perpendiculaire au rayonnement à un matériau éclairé, une tension électrique normale au champ et au rayonnement apparait. Effet Hall: Si un semi-conducteur qui a la forme d’un parallélépipède rectangle, parcouru par un courant I, est placé dans un champ d’induction B, on voit apparaitre dans la direction perpendiculaire au courant et à l’induction une différence de potentiel UH = KH.I.B.sinθ KH dépend du matériau et des dimensions de la plaquette, θ est l’angle entre I et B. 18 17 18 18/09/2020 10 I.1.4. CAPTEURS ANALOGIQUES Variation continue (analogique) de la sortie. Tension, courant analogiques Règle graduée Fig.: Exemple signal capteur analogique I.1.5. CAPTEURS LOGIQUES (TOR) Ils délivrent une sortie logique de type ‘’ Tout ou rien’’. Ce sont en général des détecteurs: - Interrupteurs de position électromécaniques actionnés par contact direct avec des objets ou des pièces - Détecteurs de proximité inductifs et magnétiques (détection sans contact physique et à faible distance du métal) - Détecteurs de proximité capacitifs (détection sans contact physique et à faible distance d’objets de nature diverses - Détecteurs photoélectriques (détection d’objets situés à plusieurs dizaines de mètres) 19 Fig.3: Signal TOR I.1.6. CAPTEURS NUMÉRIQUES Fig.4: signal capteur numérique Le signal de sortie dépendant du mesurande peut être : - Un train d’impulsions - Une fréquence - Un code binaire. 20 19 20 18/09/2020 11 I.1.3. CAPTEUR INTÉGRÉ Puce microélectronique. Ce capteur est constitué d'une plaque en silicium sur laquelle est fixé le capteur, le corps d'épreuve ainsi que d'autres composants électroniques, qui peuvent servir à linéariser, amplifier, convertir le courant en tension, etc. Ce type de capteur est très utile, vu qu’il fournit un signal linéaire avec une grande sensibilité, une miniaturisation et un coût faible. Capteurs Intelligents Ils intègrent une interface de communication bidirectionnelle et un microcontrôleur. – l’interface de communication permet de commander à distance le capteur et aussi d’en gérer plusieurs ; – le microcontrôleur permet de gérer les différentes uploads/Philosophie/ capteurs-et-conditionneurs-part1-sept-2020.pdf