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Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité

Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 1 LQTMY-Tanger M.SALMANI Capteurs analogiques 1. Définition Un capteur est un transducteur qui permet de convertir une grandeur physique à mesurer (température, vitesse, humidité, pression, niveau, débit, ...) en une autre grandeur physique mesurable. Un capteur est dit analogique s’il fournit un signal de sortie, courant ou tension, de type analogique. Ce signal évolue continuellement dans le temps et suit les variations de la grandeur physique d’entrée. Il peut prendre une infinité de valeurs entre deux valeurs limites. 2. Classification Les capteurs analogiques sont classés en deux familles : les capteurs passifs et les capteurs actifs. 21. Capteurs passifs Il s'agit généralement d'impédance dont l'un des paramètres déterminants est sensible à la grandeur mesurée. La figure 2 résume les paramètres caractéristiques pour chaque type de capteur passif.  Remarque : Les capteurs passifs sont souvent associés aux conditionneurs pour réaliser la mesure de la grandeur physique sous forme d’un signal électrique. Les conditionneurs les plus généralement utilisés sont :  Pont diviseur de tension (montage potentiométrique).  Pont de « Wheatstone ».  Circuit oscillant dont la fréquence d’oscillations est fonction de l’impédance du capteur.  Amplificateur dont le gain est paramétré par l’impédance du capteur. 22. Capteurs actifs Fonctionnant en générateur, un capteur actif est généralement fondé dans son principe sur un effet physique qui assure la conversion en énergie électrique de la forme d'énergie propre à la grandeur physique à mesurer : énergie thermique, mécanique ou de rayonnement. Figure 1 Grandeur physique à mesurer Grandeur physique mesurable Capteur R C L Grandeur de traduction Transformations possibles Résistance R : R=f(, L, S).  résistivité, L longueur, S section. Capacité C : C=f(S, e, ). S surface des armatures, e distance entre armatures,  permittivité. Inductance L : L=f(L, S, n, ). L longueur de la bobine, S surface d’une spire, n nombre de spires,  perméabilité. Figure 2 Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 2 LQTMY-Tanger M.SALMANI Capteurs analogiques 3. Effets physiques les plus classiques 31. Effet piézoélectrique : Figure 3a L'application d'une force et plus généralement d'une contrainte mécanique sur une lame de quartz entraîne une déformation du cristal qui donne naissance à une tension électrique  e=k.F. Cet effet est exploité pour la mesure de force, pression, etc. 32. Effet photoélectrique : Figure 3b Le principe se base sur la libération de charges électriques dans la matière sous l'influence d'un rayonnement lumineux (éclairement) ou plus généralement d'une onde électromagnétique  e=k.Φ. Cet effet est exploité pour la mesure du flux lumineux. 33. Effet thermoélectrique : Figure 3c Le principe de la mesure est basé sur l’association de deux fils en métaux de nature différente (fer et cuivre par exemple) connectés à leurs deux extrémités. Un courant continu circulera dans la boucle ainsi formée s’il y a une différence de température entre les extrémités appelées « jonctions » ou « soudures ». On distingue la jonction chaude portée à la température Tc et la jonction froide portée à la température Tf. La tension obtenue e est directement liée à la différence de température et un coefficient  dépendant de la nature des deux métaux constituant le thermocouple  e=.(Tc-Tf)=.T L’application directe de l’effet est la mesure de la température Tc dans le cas où Tf=0 °C  thermocouple. 34. Effet Hall : Figure 3d Un barreau de semi-conducteur soumis à un champ magnétique uniforme B et traversé par un courant I, est le siège d'une force électromotrice e sur deux de ses faces. C’est la tension de Hall définie par la relation e=(RH.I.B)/d avec :  RH : Constante de Hall (dépend du semi-conducteur).  I : Intensité du courant(A).  B : Intensité du champ magnétique(T).  d : Epaisseur du barreau de silicium(m). Si on maintient le courant I constant, on a donc une tension proportionnelle au champ magnétique B : e=k.B avec k=RH.I/d d’où la mesure de l’intensité du champ magnétique. 35. Effet d’induction électromagnétique : Figure 3e Lorsqu’un conducteur se déplace dans un champ d’induction fixe B, il est le siège d'une force électromotrice e proportionnelle au flux magnétique  coupé par unité de temps, donc à sa vitesse de déplacement : e=k.. La mesure de la tension d’induction e permet de connaître la vitesse du déplacement qui est à son origine. Figure 3 Eclairement Φ e i Matière e Force Cristal Jonction Tc Fer Cuivre e V Jonction Tf Cuivre d e I I B B  e B 3a 3b 3c 3d 3e Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 3 LQTMY-Tanger M.SALMANI Capteurs analogiques 4. Capteurs de température 41. Résistances thermoélectriques RTD 411. Principe Les capteurs de température RTD (Resistance Temperature Detector) sont basés sur la variation de la résistivité  de certains matériaux en fonction de la température : C’est l’effet thermorésistif. 412. Classification Selon la nature du matériau utilisé, Les capteurs de température RTD sont classés en deux familles : Les thermistances et les résistances thermoélectriques métalliques. 413. Thermistances Les thermistances sont des composants semi-conducteurs. La valeur nominale de la résistance d’une thermistance est donnée pour la température nominale de 25 °C. On distingue deux types de thermistances :  Thermistances CTN (Coefficient de Température Négatif) ou NTC : leur résistance diminue lorsque la température augmente et vice versa.  Thermistances CTP (Coefficient de Température Positif) ou PTC : leur résistance augmente lorsque la température croît et inversement. La figure 4a représente un exemple de caractéristique d’une thermistance CTN. Pour traduire la température mesurée sous forme d’un signal électrique, on utilise, à titre d’exemple, le montage conditionneur de la figure 4b. On aura ainsi une tension Vs image de la température mesurée VS=VCC.[RCTN/(RCTN+R)] 414. Résistances thermoélectriques métalliques Ce sont des composants à base des métaux tels que le platine, le cuivre, ou le nickel. La sonde Pt100 est le modèle le plus répondu. Elle offre une résistance de 100  pour T=0 °C. L’expression approchée de la résistance d’une sonde métallique en fonction de la température T en °C est : R(T)=R0.(1+.T) avec : R0 valeur de référence en  et  coefficient de température du matériau en /°C La figure 5a montre un exemple de caractéristique d’une sonde Pt100 - CTN + CTP Symboles Figure 4 4a 4b - +VCC R RCTN 0V VS T : Température en °K R0 : Résistance à T0=298 °K  : Constante en °K T (°C) R (K) -50 20 200 1 25 100 T (°C) R () -200 -100 100 200 300 400 500 600 650 0 100 350 216 293 23 Figure 5 Pt100 + Symbole 5a Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 4 LQTMY-Tanger M.SALMANI Capteurs analogiques 42. Circuits intégrés spécialisés IL existe des composants électroniques spécialisés, conçus pour la mesure de température. Ces circuits permettent d’avoir une tension qui varie linéairement avec la température. On propose le LM335, à titre d’exemple, qui se loge dans des différents types de boîtiers comme l’indique la figure 6a. La figure 6b illustre la caractéristique du LM335 donnant la tension Vz image de la température T. Pour mettre en œuvre le LM335, on propose le montage de la figure 6c avec :  La résistance R doit être déterminée de telle sorte que Iz soit compris entre 0,4 mA et 5 mA.  Le potentiomètre P est facultatif. Il permet d’ajuster la tension du 0 °C (décalage). 43. Thermocouples Ce sont des couples de métaux qui exploitent le principe de l’effet thermoélectrique pour la mesure de température dans une large gamme. Ils sont normalisés et codifiés par des lettres : K, J, T, N, E, S, R et B. La figure 7a montre un exemple de caractéristiques de quelques thermocouples. 5. Capteurs de lumière 51. Photorésistance LDR Pour certains matériaux, la résistivité  dépend du flux lumineux incident sur le matériau : C’est l’effet photorésistif. La LDR (Light Dependent Resistor) est un résistor qui possède une résistance qui varie en fonction de l’intensité lumineuse reçue : Elle est très élevée dans l’obscurité (de 1 à 100 M), puis elle diminue pour atteindre quelques centaines d’Ohms sous un éclairement intense (103 lux par ex). La figure 8a représente un exemple de caractéristique d’une photorésistance donnant sa résistance en fonction de l’éclairement E. Figure 6 Symbole 6a Iz Vz 6b Vz T (°C) Vz (V) -40 0 100 2,73 2,33 3,73 6c Iz VCC R P 0V Figure 7 7a fem (mV) T (°C) Symbole Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 5 LQTMY-Tanger M.SALMANI Capteurs analogiques 52. Photodiode PD C’est une diode à jonction qui fonctionne en polarisation inverse. Son boîtier est transparent à une de ses extrémités et comporte une lentille convergente pour la concentration des rayons lumineux. Ces rayons éclairent la jonction, créant un courant inverse, appelé courant photoélectrique, qui est proportionnel à l’intensité lumineuse reçue. La figure 9a représente un exemple de caractéristique d’une photodiode donnant le courant qui la uploads/Science et Technologie/ atc-ste-pdf.pdf