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1 MASTER D MASTER D’ ’INGENIERIE EN SYSTEMES ELECTRONIQUES ET INFORMATIQUES ING

1 MASTER D MASTER D’ ’INGENIERIE EN SYSTEMES ELECTRONIQUES ET INFORMATIQUES INGENIERIE EN SYSTEMES ELECTRONIQUES ET INFORMATIQUES RAMANANTSOA Ravo LES CAPTEURS EN INSTRUMENTATION LES CAPTEURS EN INSTRUMENTATION 2 LES CAPTEURS EN INSTRUMENTATION LES CAPTEURS EN INSTRUMENTATION PLAN GENERAL . GENERALITES SUR LES CAPTEURS . TRAITEMENT DU SIGNAL . EXEMPLES DE QUELQUES APPLICATIONS 3 Chaîne d’acquisition Grandeur physique Utilisation Recherches fondamentales Ingénierie Procédés industrielles MESURES Chaîne de mesure GENERALITES SUR LES CAPTEURS 4 Chaîne de mesure Chaîne d’acquisition Grandeur physique VISUALISATION ENREGISTREMENT ANALYSE INTERPRETATION VERIFICATION Chaîne d’acquisition Grandeur physique VERIFICATION COMPARAISON PRISE DE DECISION SURVEILLANCE ACTIVE ACTIONNEURS Correction Recherche, mise au point d’un système Procédés, applications GENERALITES SUR LES CAPTEURS 5 La métrologie Mesurande : grandeur physique que l’on souhaite mesurer (représente quantitativement une propriété du phénomène qui nous intéresse) Étalonnage : calibration de l’appareil de mesure en fonction des caractéristiques et de la réponse du capteur vis-à-vis de la grandeur à mesurer DEFINITIONS Métrologie : Étude de la mesure physique Grandeur mesurée : grandeur que l’on peut mesurer réellement Incertitude : marge au voisinage de la valeur réelle d’une grandeur dans laquelle se trouve la valeur mesurée GENERALITES SUR LES CAPTEURS Capteur : dispositif permettant de traduire une grandeur physique en une grandeur électrique que l’on peut exploiter. 6 Mesures absolues et mesures relatives TYPES DE MESURES Mesure absolue : mesure de la valeur d’une grandeur par rapport à une référence qui a une signification physique Ex : Mesure de température en Kelvin, mesure de pression, mesure de débit, mesure de longueur… Mesure relative : mesure de la valeur d’une grandeur par rapport à une référence arbitraire/ comparaison entre deux ou plusieurs grandeurs Ex : Mesure de température en °C, mesure d’une différence de pression, mesure de tension… GENERALITES SUR LES CAPTEURS 7 TYPES DE MESURES Mesures directes et mesures inverses Mesure directe : utilisation d’un capteur qui donne directement (avec une réponse linéaire ou non) la valeur la valeur de la grandeur attribuée au phénomène. Mesure inverse : impossibilité de procéder directement à la grandeur souhaitée (problème d’accès, conditions non supportées par les capteurs, nécessité d’une technique non intrusive). Elles nécessitent souvent un calcul couplé aux données mesurées pour remonter à la grandeur. Ex : Mesure de la température dans une chambre à combustion, mesure du degré de tremblement lors d’un séisme, mesure de la vitesse d’un électron GENERALITES SUR LES CAPTEURS 8 LES TYPES DE CAPTEURS Capteur actif : Transforme directement l’énergie du mesurande pour produire un signal. Il se comporte alors comme un générateur qui fournit une tension représentant le mesurande Capteur passif : un paramètre ou une caractéristique du capteur est modifié par le mesurande et cette variation est l’image de ce qu’on veut mesurer. Les capteurs passifs nécessitent en général une alimentation électrique. GENERALITES SUR LES CAPTEURS 9 LES TYPES DE CAPTEURS Capteur résistif : élément résistif dont la résistance change avec le mesurande. GENERALITES SUR LES CAPTEURS . Variation en fonction de la position : potentiomètre rectiligne ou rotatif (position angulaire). . Variation en fonction de la température : thermistance NTC ou PTC . Variation en fonction de l’humidité . Variation en fonction de la pression On a généralement une image électrique qui varie linéairement avec le grandeur source. 10 LES TYPES DE CAPTEURS GENERALITES SUR LES CAPTEURS Capteur à effet d’induction électromagnétique : donne une tension proportionnelle à la vitesse de déplacement d’un conducteur placé dans un champ magnétique fixe. Il ne permet donc pas de mesurer des signaux continus. . Capteur de pression acoustique (microphone) . Capteur de vibration 11 LES TYPES DE CAPTEURS GENERALITES SUR LES CAPTEURS Capteur à effet Hall : Principales applications : - Automobile : commande d’allumage, capteur de vitesse de rotation - Mesure de fort courant continu avec isolation galvanique 12 LES TYPES DE CAPTEURS Applications : . Mesure de petite distance . Mesure de faible force et pression (microphone, baromètre…) . Accélérometre miniature GENERALITES SUR LES CAPTEURS Capteur capacitif : basé sur la variation des caractéristiques diélectriques d’un condensateur (distance entre les armatures ou aire des surfaces en regard). Leur grande simplicité leur permet une utilisation à température très élevée en utilisant des isolants en céramique. 13 LES TYPES DE CAPTEURS GENERALITES SUR LES CAPTEURS Capteur thermoélectrique : deux jonctions reliant deux conducteurs de nature chimique différente permet d’avoir une différence de potentiel entre elles lorsque leurs températures sont différentes. Applications : -Thermocouple : permet de faire une mesure de température ponctuelle 14 LES TYPES DE CAPTEURS Applications : - Capteurs de flux lumineux - Pyromètre et imagerie IR - Capteurs de flux thermique GENERALITES SUR LES CAPTEURS Capteur de flux radiatif : utilise le flux déposé par une onde électromagnétique sur un matériau (métallique pour l’effet thermoélectrique ou semi-conducteur pour l’effet photovoltaïque) pour produire une tension ou un courant proportionnelle à l’intensité de cette onde. Les capteurs opèrent à des plages de longueurs d’ondes différentes selon leurs applications. 15 LES TYPES DE CAPTEURS Applications : - Mesure de force et de pression (force de contact, poids…) - Mesure d’accélération GENERALITES SUR LES CAPTEURS Capteur piézoélectrique : Des charges électriques de même quantité mais de signes opposées apparaissent sur les faces de certains matériaux (appelés piézoélectriques) lorsqu’ils subissent une contrainte mécanique. 16 LES CAPTEURS COMPOSITES GENERALITES SUR LES CAPTEURS Capteur dont le corps d'épreuve (en « contact » direct avec le mesurande primaire) génère une grandeur physique non électrique appelée mesurande secondaire. Un second capteur convertit ce mesurande secondaire un signal électrique. Exemple : Mesurande primaire Force Mesure de déplacement Signal électrique Ressort Mesurande primaire allongement ou raccourcissement 17 LIMITE ET ETENDUE DE MESURE Force et pression (contact, poids,son…) Accélération GENERALITES SUR LES CAPTEURS Étendue de mesure Résolution, précision et seuil d’un capteur Bande passante 18 CONDITIONNEMENT DES DONNEES TRAITEMENT DU SIGNAL De manière générale, le signal délivré par un capteur ne peut pas être directement utilisé pour l’objectif final de la mesure. Le système d’acquisition comporte ainsi une chaîne de traitement constituée : - d’un étage de filtrage - d’un étage d’amplification - d’un étage de mise en forme 19 TRAITEMENT DU SIGNAL Deux types d’erreur et de perturbations : - Erreurs systématiques (offset) - Perturbations interférentes (bruit) - Perturbations modifiantes(offset) : grandeurs d’influences (température, pression, variation de l’alimentation…) Capteur Acquisition Mesurande Grandeurs modifiantes Erreurs systématiques Bruits CONDITIONNEMENT DES DONNEES 20 TRAITEMENT DU SIGNAL Il faut compenser les dérives dues aux grandeurs influentes Exemple : conditionnement d’un capteur résistif par un pont de Wheatstone CONDITIONNEMENT DES DONNEES Non linéaire 2 c 2 c c c c m c c m ) R (R R E ) R (R R R R 1 E dR dV R R R E V + = + − × + = + = 2 1 E R R R E V c c m = + = E Vm En absence de sollicitation, on choisit Rc=R pour avoir Vm=E/2 En présence de sollicitation, on a Rc=R+∆Rc c m 2 c m c 2 c c m ∆R 4R E ∆V 4R R E dR dV R ∆R : ions sollicitat faibles de pour ) ∆R (2R R E dR dV = ⇒ = << + = Linéaire . Faible sensibilité ∆Vm/∆Rc . Présence d’une tension au repos . Vm sensible à la variation de E 21 TRAITEMENT DU SIGNAL Il faut compenser les dérives dues aux grandeurs influentes Exemple : conditionnement d’un capteur résistif par un pont de Wheatstone CONDITIONNEMENT DES DONNEES Non linéaire 2 c 2 c c c c m c c m ) R (R R E ) R (R R R R 1 E dR dV R R R E V + = + − × + = + = 2 1 E R R R E V c c m = + = E Vm En absence de sollicitation, on choisit Rc=R pour avoir Vm=E/2 En présence de sollicitation, on a Rc=R+∆Rc c m 2 c m c 2 c c m ∆R 4R E ∆V 4R R E dR dV R ∆R : ions sollicitat faibles de pour ) ∆R (2R R E dR dV = ⇒ = << + = Linéaire . Faible sensibilité ∆Vm/∆Rc . Présence d’une tension au repos . Vm sensible à la variation de E E Vm Au repos, on a 0 (repos) V 2 E V V m A B = ⇒ = = 2 1 R R R dE dV 2 E R R R E VB VA V c c m c c m − + = − + = − = . Faible sensibilité ∆Vm/∆Rc . Absence d’une tension au repos . Vm beucoup moins sensible à la variation de E 22 CONDITIONNEMENT DES DONNEES TRAITEMENT DU SIGNAL 0 5 10 15 20 25 30 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tension (mV) Temps Signal brut SIgnal filtré 0 5 10 15 20 25 30 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Tension (mV) Temps Signal filtré faible SIgnal filtré amplifié 0 uploads/Sante/ capteurs-en-instrumentation.pdf